Processos de Fabricação 2. Parte 2 - polímeros

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1 Processos de Fabricação 2 Parte 2 - polímeros

2 Polímeros Introdução Polímeros naturais Polímeros artificiais Madeira, borracha, algodão, lã, couro, seda, etc. Plástico, borrachas e materiais de fibras Propriedades Dependente dos seus elementos estruturais Estrutura molecular e cristalina

3 Polímeros Estrutura hidrocarboneto Ligação covalente (hidrogênio carbono). Pode ser: saturada Carbono ligado a 4 hidrogênio ligações simples Não saturada Carbono com menos de 4 hidrogênio ligação dupla

4 Polímeros Ligação intra molecular Colavente - forte Ligação entre moléculas van der Waals - fraca Caracteriza o baixo ponto de fusão Ponto de fusão varia com a massa molecular

5 Polímeros Moléculas dos polímeros Longas em comparação a dos hidrocarbonetos macromoléculas Flexíveis com uma espinha dorsal de carbono Formadas por unidades meros parte em grego Monômero molécula de um único mero Polímero molécula de vários meros

6 Polímeros Química das moléculas poliméricas Por processo catalítico ocorre a união de meros Adição de meros iguais: monopolímeros Adição de meros diferentes: copolímeros Massa molecular Massa molecular é o tamanho da cadeia polimérica Formas de medir: 2 maneiras Medida média: baseado no tamanho médio do comprimento dos meros (M) Grau de polimerização (n): número médio de meros na cadeia M/m onde m = massa molecular do mero Interessante:

7 Polímeros Unidade de repetição e formação em ângulo do polímero

8 Polímeros Unidade de repetição

9 Polímeros Forma molecular Cadeias longas e retorcidas conferem muitas das propriedades mecânicas e térmicas dos polímeros Muitas cadeias são retorcidas em zigue-zague Propriedade elástica Polímeros geral 9

10 Polímeros Estrutura molecular Polímeros lineares: quando os meros ligam-se uns aos outros em seu terminal

11 Polímeros Estrutura molecular Polímeros ramificados: quando os meros ligam-se a partes de cadeias que não as extremidades Conseqüência: abaixa a densidade

12 Polímeros Estrutura molecular Polímeros com ligações cruzadas: quando as cadeias lineares adjacentes se unem em pontos diversos por ligações covalentes. Muitas destas cadeias são formadas durante a síntese ou por reações químicas não reversíveis, a alta temperatura no caso da borracha teremos a vulcanização Polimerização legendas em português 2

13 Polímeros Estrutura molecular Polímeros em rede: quando meros trifuncionais (3 ligações covalentes) se unem Rede tridimensional Polímeros em rede Ex: epoxi Esfera com 0,002 m de diâmetro e resina epoxi

14 Polímeros Estrutura molecular - resumo

15 Polímeros Configuração molecular Analisa o arranjo das ligações das unidades ao longo do eixo da cadeia ou posição de átomos inalteráveis.

16 Polímeros Características das moléculas poliméricas A caracterização das moléculas de polímeros pode ser: Por tamanho Grau de polimerização Pela forma Grau de torcimento, embobinamento e flexão Pela estrutura Maneira como estão unidas

17 Polímeros Copolímeros adição de meros diferentes Cientistas tem buscado meios de produzir polímeros melhores e mais baratos com propriedades melhores que os homopolímeros Desta forma o processo de adição de meros pode ser dividido em: copolímeros randômico meros não respeitam posição fixa alternado posições são respeitadas (ordem regular) em bloco blocos de meros iguais alternados (regular) Adição de meros diferentes Mero 1 Mero 2 enxertado cadeias regulares com enxertos ao longo

18 Polímeros Copolímeros Tipos: A randômico B alternado C em blocos D enxertados

19 Polímeros Copolímeros Exemplo: SBR borracha de estireno-butadieno (randômico) Pneus de autos

20 Polímeros Copolímeros Exemplo: NBR borracha de nitrilo (randômico) Mangueira de gasolina Resistente ao inchamento em Resistente ao inchamento em solventes orgânicos

21 Polímeros Copolímeros Exemplo de aplicação: cápsula para transporte de medicamentos Copolimero OLED 5 TV LÂMINA 5 Grafeno o material do fufutro 6 Aplicações futuras vidro 6 Copolímeros, usados para transportar medicamentos dentro do corpo humano, permitindo controlar o tempo em que a substância é liberada. (Foto: Annie Cavanagh/Wellcome Image Awards 2009)

22 Polímeros Copolímeros Exemplo de aplicação: partículas metálicas recobertas por copolímeros para formar estruturas específicas Nano partículas de platina recobertas com ligantes (esferas azuis e cinzas) aninhadas entre copolímeros de bloco (cadeias azuis e verdes).[imagem: Scott Warren & Uli Wiesner, Cornell University]

23 Polímeros Copolímeros - formas

24 Polímeros Cristalinidade de polímeros Estado cristalino: ordenação do material polimérico densidade Polímeros lineares cristalização mais fácil Copolímeros qto mais ordenado e regular mais cristalinos serão e assim mais resistente a dissolução e ao amolecimento por calor maior para polímeros cristalinos mais estreitamente empacotados Regra geral: fatores que previnem a cristalização Regra: ramificação previne cristalização forma da cadeia (ramificação) velocidade de resfriamento tamanho/vol. dos grupos de átomos

25 Polímeros Cristais de polímeros Metais e cerâmicas cristalinos Cristais, grãos, etc.. Materiais poliméricos esferulitas Esferulitas são arranjos de lamelas planas que crescem na forma de esfera São constituídas por cadeias longas dobradas sobre si mesmas de espessura aproximada de 10 micrometros, como a figura a seguir.

26 Polímeros Cristais de polímeros

27 Polímeros Cristais de polímeros (fraldas gel absorvente) Meio quilo de cristais absorvem cerca de 200 litros de água!

28 Polímeros Cristais de polímeros absorventes Polímero absorvente neve artificial e não tóxica

29 Comportamento tensão - deformação Parâmetros semelhantes aos dos metais: módulo de elasticidade resistência à tração impacto fadiga Polímeros são altamente sensíveis a: taxa de deformação temperatura natureza química do ambiente Três tipos de polímeros: a) A - Frágil b) B - Plástico c) C - Altamente elástico (elastômero)

30 Densidade dos materiais - comparativo

31 Módulo de Young (resistência ao alongamento) - comparativo Polímeros E (MPa) Elásticos 7,0 Rígidos 4,0 x 10 3 Metais 7,0 x 10 6

32 Tensão de ruptura - comparativo

33 Alongamento - comparativo Metais máx. 100 vezes Polím. elásticos +ou 1000 vezes

34 Temperatura máxima de trabalho A temperatura exerce papel importante no comportamento mecânico. E aumenta σ ductibilidade aumenta diminui

35 Deformação mecânica dos polímeros importante Dois tipos de deformações a estudar: Deformação plástica em polímeros semi-cristalinos Deformação plástica em polímeros elásticos Deformação macroscópica Deformação de polímeros semi-cristalinos Ensaio de tração de aço 3 Dentro do pescoço há alinhamento da cadeia e conseqüente aumento da resistência, propagando o pescoço O contrário do que ocorre com os metais Polímero teste de tração 2

36 Deformação microscópica Estágios de deformação dos polímeros semi cristalinos: 1 cadeias cristalinas e amorfas adjacentes 2 alongamento da material amorfo no 1º. estágio 3 aumento da espessura cristalina devido a tensão e enviesamento da cadeia 4 rompimento da cadeia cristalina em blocos 5 separação e compressão dos blocos de forma alinhada Deformação de polímeros semi-cristalinos

37 Deformação microscópica Deformação de polímeros semi-cristalinos

38 A temperatura e as propriedades mecânicas dos polímeros Polímeros cristalinos quando em processo de FUSÃO: A) Material cristalino sólido fase 1 B) Material líquido viscoso e desalinhado (randômico) fase 2 Alta dependência Processo ocorre por: QUEBRA DAS LIGAÇÕES ENTRE CADEIAS + Ligações secundárias - + energia + vibração + quebra de ligações + líquido Ramificação alta Menos ligações secundárias Menos energia p/ quebra lig. Temp fusão baixa Cadeia linear Quanto mais longas Temp fusão + alta

39 Polímeros termoplásticos e termo-rígidos TERMOPLÁSTICOS: amolecem quando aquecidos e vice-versa Mecanismo micromolecular Elevação da temperatura Quebra lig secundárias Lig primárias - difíceis de serem quebradas Movimentação entre as cadeias. Ex: polímeros lineares e pouco ramificados

40 Polímeros termoplásticos e termo-rígidos TERMORÍGIDOS: permanecem duros com o calor Mecanismo micromolecular Muitas ligações Cadeias ramificadas: 10 cruzadas alto a 50% dos meros são ancoramento ligados - ancorados Apenas altas temperaturas quebram ligações cruzadas e degradam o polímero. Ex: borrachas vulcanizadas e epoxi

41 Viscoelasticidade É a característica que determinados polímeros sólidos tem de se comportarem como elásticos e viscosos a temperaturas intermediárias Estado não tensionado elastômero será amorfo e composto de cadeias moleculares altamente enroladas, retorcidas e embobinadas Fluido não Newtoniano 2

42 Polimerização Síntese de monômeros, unindo-se A matéria prima para polímeros sintéticos em geral é originada do carvão ou petróleo e são de massa molecular pequena O processo pode ocorrer por adição ou condensação Polimerização por adição reação em cadeia Monômeros bifuncionais união em cadeia linear Cadeia é múltiplo exato do monômero reagente inicial

43 Polimerização por adição reação em cadeia Processo ocorre em 3 etapas Etapa 1 - iniciação Etapa 2 - propagação Etapa 3 - terminação Centro ativo catalisador R=R 1000 meros a cada 10-2 a 10-3 segundos Com outro catalisador R A terminação não garante homogeneidade das cadeias, o que explica a grande diversidade de comprimentos de cadeias

44 Polimerização por condensação reação em etapas Formação de polímeros por reações químicas intermoleculares, ou seja, não há uma unidade repetidora como na adição

45 Aditivos de polímeros Substâncias adicionadas ao polímero para conferir outras características para maior utilidade. Podem ser: Enchedores reduz custo pois substitui material polimérico mais caro Materiais baratos e servem para melhorar características mecânicas do material. Podem ser: pó de serra, farinha de sílica, vidro, argila, etc.

46 Plastificadores Materiais que conferem maior flexibilidade e ductibilidade ao polímero. São geralmente líquidos e de pequenas massas moleculares. Ocupam posição entre as camadas aumentando a distância entre elas e enfraquecendo as ligações secundárias. Permitem usar material polimérico para folhas finas, tubulações, capas de chuvas e cortinas. Aumentam a ductibilidade de materiais normalmente frágeis a temperatura ambiente

47 Estabilizadores Materiais que servem para frear processo degenerativo de polímeros suscetíveis a luz (ultravioleta por exemplo) e a oxidação.

48 Corantes Materiais que conferem cor ao polímero. Retardadores de chama Materiais que são utilizados para frear o processo de queima. A flamabilidade é um problema, principalmente para tecidos e brinquedos infantis. Avaliação de riscos custos industriais

49 Tipos de polímeros: plásticos, elastômeros, fibras e miscelâneas Plásticos A grande maioria dos materiais poliméricos caem dentro desta categoria. Podem ser rígidos ou flexíveis. Exigem qualquer grau de cristalinidade. Aplicação ótica: transparência deve ser altamente amorfo Aplicação resistência ao ataque químico fluorcarbonos (teflon) Técnicas de conformação depende de diversos fatores 1 se o material é termo rígido ou plástico 2 estabilidade atmosférica de conformação 3 geometria e tamanho final da peça

50 Plásticos Os termo plásticos Processo de alta temperatura (acima da Tg) Aplicados sob pressão Podem ser reciclados

51 Plásticos Os termo rígidos processo executado em duas (2) etapas 1 pré polímero linear (em geral líquido) com massa molecular pequena 2 cura dentro do molde, por calor ou química (catalizador)

52 Plásticos técnicas de conformação A técnica baseia-se na MOLDAGEM: material pelotizado, derretido e forçado para dentro do molde. Pode ser: Por compressão e transferência Material sólido é depositado no molde que ao fechar, aquece derretendo-o Termoformagem 4

53 Plásticos técnicas de conformação Por injeção Material sólido na quantidade correta é empurrado para câmara aquecida e após injetado dentro do molde vedado. É a técnica mais usada e de altos volumes. Injeção de plástico 3

54 Plásticos técnicas de conformação Idem ao caso anterior, mas em matriz aberta. Por extrusão Material fundente é forçado contra orifício com forma final da seção desejada e esfria rapidamente, sendo cortado o comprimento ideal. (seções retas) Processo de extrusão 2

55 Plásticos técnicas de conformação Idêntico a fabricação de garrafas de vidro. Por sopro Extrusão soprada 1 Extrusão de garrafas PET 1

56 Plásticos técnicas de conformação Idêntico ao processo de fabricação de metais. Por fundição

57 Elastômero O processo de ligar cruzadamente em elastômeros é a VULCANIZAÇÃO vulcanização Função do enxofre Liga as cadeias VULCANIZAÇÃO: quanto mais enxofre maior a resistência a abrasão, tração e degradação. Quanto maior a quantidade de ligações cruzadas maior a extensão da borracha. Em geral 1 a 5 partes de enxofre para 100 de borracha. Exemplos: pneu de automóvel (SBR) mangueira de combustíveis (NBR) borracha de silicone (RTV) mantém elasticidade mesmo a -90º.C

58 Fibras Uso mais comum têxtil Características: Resistência a tração e baixa elasticidade (massa molecular alta e alto grau de cristalinidade). Estabilidade química (resistência a lavagem em diversos meios ácido, básico, etc). Resistência a chama e acessível ao sol e a secagem Técnica de conformação: FIAÇÃO ( SPINNING ) Através de material fundido que passa através de orifícios e se solidificam assim que passam a ter contato com o ar. Para melhorar a resistência mecânica há o processo pósconformação que se chama ESTIRAMENTO que é a orientação das cadeias.

59 Miscelâneas revestimentos, adesivos e filmes Aplicações: Revestimentos tintas, vernizes, esmaltes, etc Adesivos desvantagem devido a limitação da temperatura Filme com espessura de 0,025 0,125 mm. Muito usados devido a sua resistência a tração, rasgamento, flexibilidade, etc. Exemplo: celofane, polietileno, etc. Pode ser produzido por: Extrusão Fina fenda e após é laminado para reduzir espessura e melhorar a resistência mecânica Extrusão em matriz anular Tubo que após é cortado e aberto

60 Miscelâneas filmes Extrusão Fina fenda e após é laminado para reduzir espessura e melhorar a resistência mecânica

61 Miscelâneas filmes Extrusão em matriz anular Tubo que após é cortado e aberto Extrusão de filmes 1

62 Miscelâneas - espumas Outro tipo de grande uso são as ESPUMAS. Material poroso produzido por espumação 7 Processo: a espumação ocorre por ação do agente soprador, que a altas temperaturas se decompõe liberando gás. Aplicações: colchões para autos e móveis e embalagens. Também para uso em isolamento Aplicações: colchões para autos e móveis e embalagens. Também para uso em isolamento térmico.

63 Reciclabilidade dos materiais